UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA
FACULDADE DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA
P2 - TERMODINÂMICA APLICADA – 0457
GABARITO
NOME:_______
28/05/07
____ REG._________________
1a QUESTÃO ( 2,0 PONTOS)
Num sistema de geração de energia a caldeira produz 5,0 kg/s de vapor d´água a 4,5
MPa e 450ºC (h=3323,3 kJ/kg). Este vapor aciona uma turbina que fornece 5.000 kW de
potência. Deixando a turbina o vapor entra no condensador a 20 kPa (hL=251,4 kJ/kg ;
hV=2609,7 kJ/kg) de onde sai no estado líquido saturado a 20 kPa. Pede-se:
a) Qual o título do vapor na saída da turbina ? (1,0)
W = m . (hE – hS)
5000 kJ/s = 5,0 kg/s . (3323,3 – hS)
hS = 2323,3 kJ/kg
x = (hs – hL) / (hV – hL) = (2323,3 – 251,4) / (2609,7-251,4) = 0,878 = 87,8%
b) Qual o calor trocado no condensador ? (1,0)
Q = m . (hS – hE) = 5,0 kg/s . (251,4 – 2323,5) kJ/kg = -10.360,5 kW
2a QUESTÃO (2,5 PONTOS)
Deseja-se manter uma sala em 20ºC. Para tanto utiliza-se um condicionador de ar que
opera com R12 como fluido de trabalho e com compressor de 10 kW. A temperatura do
ar externo utilizado como fonte quente é de 40ºC.
Dados do R12: a 40 ºC : PSAT= 0,9607MPa; sL=0,2716 kJ/kg.K ; sV=0,6820 kJ/kg.K.
Dados do R12: a 20 ºC : PSAT= 0,5673MPa; sL=0,2076 kJ/kg.K ; sV=0,6879 kJ/kg.K.
Pede-se:
a) qual o máximo coeficiente de performance deste condicionador de ar? (0,5)
COPRmax = TF / (TQ-TF) = 293 / (313 – 293) = 14,65
b) Qual a máxima quantidade de calor que o condicionador de ar conseguiria retirar
da sala se as perdas fossem desprezíveis? (0,5)
QFmax = COPRmax . W = 14,65 x 10 = 146,5 kW
c) Qual seria a mínima potência de compressão necessária para que fosse possível
retirar 300 kW de calor da sala? (0,5)
Wmin = QQ / COPRmax = 300 kW / 14,65 = 20,47 kW
d) Admitindo ser um refrigerador de Carnot, mostre o ciclo num diagrama
temperatura versus entropia específica indicando as pressões envolvidas. (0,5) .
Indique a área correspondente ao calor trocado no evaporador. (0,5)
t (ºC)
0,9607 MPa
0,5673 MPa
40,0
Qevap. / m
20,0
s [ kJ/ kg.K]
0,2716
0,6820
3a QUESTÃO (2,0 PONTOS)
Um motor de automóvel, funcionando em regime permanente, consome 40 kg/h
(0,011kg/s) de combustível. Calcule a potência fornecida pelo motor sendo conhecidos
os seguintes dados:
Entalpias da água de refrigeração: na entrada h= 170 kJ/kg; na saída h= 300 kJ/kg
Vazão de água de refrigeração: 0,5 kg/s
Entalpia do ar: 30 kJ / kg
Entalpia dos gases da combustão: 80 kJ/kg
Entalpia do combustível: 32.000 kJ/kg
Utiliza-se 20 kg de ar para cada kg de combustível.
magE . hagE + mCOMB . hCOMB + mAR . hAR = W + magS . hagS + mG . hG
0,5(kg/s)x170(kJ/kg) + 0,011(kg/s)x32000(kJ/kg + (20x0,011)(kg/s)x30kJ/kg =
= W + 0,5(kg/s) x 300 (kJ/kg) + (20+1)x0,011 (kg/s) x 80 kJ/kg
W = 278,2 kW
4ª QUESTÃO (2,0 PONTOS)
Uma caldeira consome 0,675 kg/s de óleo cujo poder calorífico inferior é igual a 42.500
kJ/kg e rendimento de combustão de 85% para produzir vapor que é descarregado em
uma turbina. São conhecidos os dados fornecidos no quadro abaixo.
Estado
1
2
3
4
Pressão
(bar)
4
4
2
0,1
Temperatura
(ºC)
70
250
150
45,81
Título
(%)
90
Entalpia específica
(kJ/kg)
293,0
2971,0
2796,0
2355,0
2
1
3
gerador
de vapor
turbina
4
bomba
5
.
condensador
Pede-se:
a) Calcule a vazão de vapor produzida pela caldeira (1,0)
mVapor = QGV / (hS – hE) = (0,675 x 42500 x 0,85)kJ/s / (2971 – 293)kJ/kg = 9,11 kg/s
b) Calcule a potência fornecida pela turbina (0,5)
W = mVapor . (hE – hS) = 9,11 kg/s x (2796 - 2355) kJ/kg = 4.017,5 kW
c) Calcule o calor perdido na tubulação entre o gerador de vapor e a turbina (0,5)
.
QP = m . (h2 – h3) = 9,11 kg/s x (2971 – 2796) kJ/kg = 1594,3 kW
5ª QUESTÃO (1,5 PONTOS)
Uma bomba de calor será utilizada para aquecer um escritório em Bariloche desejandose manter internamente a temperatura de 24ºC quando a temperatura externa for de
-7°C (7 graus celsius negativos) Para isso a bomba de calor deverá fornecer 3600 KJ / h
(1 kW) de calor ao ambiente interno. Qual a menor potência de compressão (em Watt)
necessária para o funcionamento desta bomba de calor?
(Watt = Joule / s)
WMIN = QQ / COP BC max = 1 kW / [(24+273) / [(24+273 – (-7+273)]] =
= 0,104[ kW] = 104 [W]